利用扩频时钟降低电磁干扰

作为工程师来说，您知道消费类电子设备的操作速度有多快，它们每秒又能执行多少任务吗？这些设备的高速操作带来了许多乐趣，使直观的触控手机和视频直播以及许多实际的应用都成为了可能，例如为网络和通信设备驱动高速数据。

电子设备性能水平和速度的提高给工程师带来了许多挑战。当设计这些设备时，安全性是关键因素，需要特别注意。附近设备的电磁干扰(EMI)是用户安全和可靠运行的一个主要威胁。

电磁干扰

一次笔者正通过HDTV看足球赛时，就要射门了，手机突然接到一个电话，电视立即就没了信号。然而，挂掉电话后电视信号又有了。这就是电磁干扰的案例。

每一个电信号都是电场和磁场的结合。任何时域内有限的(或有界)信号在频域都是无限(或无界)的，反之亦然。所有电气系统都具有携带信息的信号，因此，它们都具有特定的模式。这些模式是由接收端和发射端使用的通信协议定义的，接收端和发射端可以位于同一个PCB上靠近芯片的位置，也可以远至地球和卫星。在时域内具有固定模式的信号，其能量会分布在较宽的频率范围内。

例如，图1显示了时域和频域内的125MHz时钟信号。在时域内，这个时钟信号具有周期性，其能量在频域内分布范围很广。图中125MHz、375MHz、625MHz和875MHz处的标记显示了频域的四个连续高能量点。峰值能量存储在125MHz的基频，为10.55dB。此外，375MHz、625MHz和875MHz是125MHz时钟信号的奇次谐波。该能量是电磁干扰的一个关键因素，它会干扰附近工作的其他系统。在特定工作频率具有峰值能量的系统就是电磁辐射源的一个例子。

在手机和电视的例子中，辐射源为手机。在通过LCD HDTV看足球赛时，机顶盒被调整到54到890MHz范围内的体育频道。当手机处于空闲模式时(即没有打电话或发短信时)，它不会发射数据也不会产生辐射。然而，当手机接到来电时，它开始与最近的基站通信。在传输过程中，手机使用更大的功率并在GSM频段(900MHz)内传送信号，这就会对相邻的机顶盒频率范围(接近890MHz)产生辐射。由于这种辐射的存在，机顶盒无法解码广播电视信号。这在很多家庭中不会发生，这是由于在电视和手机的工作频率和电磁干扰防护方面考虑了足够的裕量。然而，当在800MHz范围内支持4G传输时，手机和电视设计人员将会面临更多的电磁干扰挑战。

这种破坏发生在消费类设备中时造成的威胁并不算大，然而，想象一下，当 Wi-Fi信号干扰到危险化工厂的控制操作时又会怎样？历史上有许多事故就是由于电磁干扰所造成，因此，世界领先国家都在从电磁干扰方面来规范电子设计。

除了电磁干扰辐射以外，还存在来自电路板布线、电源、电容或电感耦合的传导电磁干扰，这会干扰其他设备的系统操作以及功能。

许多国际监管机构(IEC、CISPR和EN)制订了系统可以有的最大辐射，同时也定义了不应影响系统的最小电磁干扰水平。电磁干扰的国际标准是基于应用和终端设备定义的，例如：军事、消费类、工业和汽车等。

高速设备是由高速时钟驱动的设备。主要影响EMI的因素是高速时钟信号，它在时域上呈现周期性。如图2所示，125MHz的时钟信号在基频上具有峰值能量和较强的奇次谐波信号(如图1所示)。

图1：时域和频域内的时钟信号。

图2显示了125MHz时钟集中于基频的频谱分析。峰值表明基频的能量为-5.29dBm。如果中心频率的能量降低了，则由时钟信号引起的辐射也会下降。在时钟信号驱动大多数板上器件的系统中，电磁干扰会显著提高。扩频技术采用同样概念来提高系统的抗电磁干扰性能。

图2：时钟信号的峰值能量。

扩频技术

在扩频技术中，高频时钟信号通过低频调制。调制信号的频率通常为30~120kHz。由于调制，储存在基频的能量将分布在一个较宽的频率范围内并使峰值降低(如图3所示)。假如没有采用扩频技术，125MHz时钟信号的峰值为-5.29dB。经过±2%的扩展，峰值会降低到-13.37dB。调制曲线、扩展类型、扩展百分比都是扩频技术的重要参数。

图3：经过±2%中心扩频的125MHz时钟。

调制曲线：简单来说，调制信号波形代表了调制曲线。有两种大家熟悉的曲线：Linear和Lexmark。Lexmark相对Linear来说可以更好地降低峰值。Linear曲线形状上类似于三角波。
扩展百分比：调制信号的峰峰值振幅代表了扩展百分比。扩展百分比代表标称信号频率的偏差。

扩展类型：如果标称信号频率是在调制曲线的中心，则称为中心扩展。如果信号频率在调制曲线的顶部，则称为向下扩展。
使用扩频技术降低峰值的效果取决于所选的扩展百分比和扩展曲线。以下案例显示了由扩展百分比增加带来的相应辐射减少。

案例分析

在信息技术设备中，CY 25100时钟芯片被用来驱动FPGA和以太网芯片(如图4所示)。参考时钟输出为25MHz，没有扩展。125MHz信号通过片上锁相环生成，可以是一个扩频时钟。



图4：CY25100应用。

最初，客户使用没有扩展的125MHz时钟输出。按照欧盟要求，该设备需要满足EN 55022标准限值。设备样机经过测试后，发现在125MHz的多个倍频处有44dB辐射，超过了EN 55022标准的40dB限制。通过采用不同的扩展百分比进行一些试验，在31.7kHz处进行±2%中心扩展减少6dB的整体设备辐射，使得系统满足了EN 55022要求并提供了2dB的裕量。

为了检验在电磁干扰方面扩频时钟的效果，在具有最低噪声的简洁设置下使用鉴定板(即板上只有CY 25100器件)测量了125MHz时钟峰值能量。没有扩频时，测量到的时钟信号峰值为-5.29dB。经过±2%的扩展后，时钟峰值减少为8dB。表1显示了扩展百分比下的峰值减少情况。


表1：不同扩展百分比的峰值测量。

使用扩频时钟时，在电磁干扰辐射方面会有显着改善。此外，这些改善不需要花费时间和成本进行样机或电路板的重新设计。

使用扩频时钟前检查参数

抖动：在低频处扩频调制高频时钟信号，增加了周期上的时钟沿偏差。这样就导致了更高的抖动。需要测量扩频时钟的抖动，并确定时钟接收端可以容忍扩频时钟中增加的抖动。

百万分率(PPM)误差：百万分率(PPM)误差参数用来测量时钟信号精度。由于扩展百分比，时钟频率将不同于标称频率，因此，PPM误差将会增大。对于PPM误差规格非常严格的应用来说，需要确保使用扩频后PPM误差仍在限制范围内。

扩展已知锁相环：假设应用中采用单个时钟驱动多个时钟接收芯片，那么零延迟缓冲器就可以用来满足时钟接收负载。如果最初生成的时钟信号有扩频，需要通过让其经过时钟接收端以充分减少电磁干扰来验证零延迟缓冲器支持扩展。如果零延迟缓冲器不支持扩展，输入扩展将会在时钟缓冲器输出出现偏移。这被称为跟踪偏移，如果应用对偏移规格要求较为严格(例如：同步应用)，那么它就需要被关注。

为专门应用选择扩展参数

增加扩展百分比，峰值能量会相应减少，但峰值降低速率并不是常数。如表1所示，当扩展百分比为±2%时，峰值减少8.08dB((-13.37)-(-5.29)dB)。当扩展百分比增加到±2.5%时，峰值减少8.82dB((-14.11)-(-5.29)dB)。因此，对于进一步的±0.5%扩展增量，可以观察到小于1dB的峰值降低。

扩展类型(向下扩展/中心扩展)：这取决于时钟接收端的最高工作频率。如果时钟接收端支持正常频率的±容限，可以使用中心扩展或向下扩展。中心扩展可以使标称频率在两个方向上发生变化，例如，25MHz经过±1%扩展，可以从24.75MHz到25.25MHz变化。向下扩展只向下变化标称频率，可以确保最大频率一直为标称频率，例如，25MHz经过-1%扩展，将会从24.75MHz到25MHz变化。在正常频率为最高频率的情况下，向下扩展是正确的选择。
调制频率：许多时钟发生器支持大约在30至120kHz的宽范围调制频率。最常用的范围是30到60kHz之间。调制频率可以为该范围内的任何频率，只要这些频率或其倍频不干扰其他系统或设备的操作或与它们相耦合。

调制曲线：Lexmark曲线相对于Linear曲线来说可以更好的降低峰值。如果时钟发生器支持Lexmark曲线，那么就选择它。

在复杂的系统应用中会包含多个数据、时钟和地址总线，它们运行在不同的速度，使用不同的电源，支持不同的通信协议，只使用一个特定频率的扩频时钟不足以完全管理系统的电磁干扰。设计人员还需要特别注意电路板设计问题(例如串扰和接地回路)，因为这里有多个噪声源。在这样的复杂系统中，可能有一些协议由于PPM需求或抖动规格而使得功能没有被最优化。扩频时钟可以帮助降低由时钟带来的总辐射，但是也需要其他技术来弥补其他不支持扩展的数据或时钟信号。不过，如上所示的案例分析，具备扩频能力总会是一项优势，因为该能力减少了许多具有挑战性的电磁干扰源所必需的屏蔽和滤波。